Химико-технологические процессы

Введение.

 

Химико-технологические  процессы играют важную экономическую  роль в народном хозяйстве страны, так как лежат в основе производства важнейших традиционных материалов: чугуна, стали, меди, стекла, цемента, химических волокон, пластмасс, каучука и резины, минеральных удобрений, бензина, кокса и новых видов сырья и материалов, заменяющих природные и применяющихся в различных отраслях промышленности.

Большое достоинство  химико-технологических процессов состоит также и в том, что они совершенствуют производство, улучшают его технико-экономические показатели. Велика роль этих процессов в создании энерго-, трудо- и ресурсосберегающих технологий.

В настоящее  время принята следующая классификация химико-технологических процессов:

 1. По агрегатному состоянию  взаимодействующих веществ:

а) однородные процессы (гомогенные);

б)  неоднородные процессы (гетерогенные). 

2. По значению  параметров технологического режима:

а) низкотемпературные и высокотемпературные;

б) каталитические и некаталитические;

в) протекающие под вакуумом, нормальным и высоким давлением;

г) с низкой концентрацией вещества и высокой концентрацией вещества.

3.По характеру протекания процессов во времени:

 а) периодические; 

 б) непрерывные. 

4. По гидродинамическому режиму – два предельных случая перемешивания реагирующих компонентов с продуктами реакции:

 а) полное смешение;

 б) идеальное вытеснение, при котором исходная смесь не переме- 
            шивается с продуктами реакции.  

5. По температурному режиму:     

 а) изотермические процессы (температура постоянна во всем реакционном объеме);

 б) адиабатические процессы (нет отвода или подвода тепла);

 в) политермические процессы (тепло частично отводится или компен-сируется подводом; температура в реакционном аппарате изменяется неравномерно). 

6. По тепловому эффекту:

 а)  экзотермические (с выделением тепла);

      б) эндотермические (с поглощением тепла).

В данной работе мы рассмотрим гидродинамический процесс, скорость которого определяется законами гидродинамики - разделение суспензий, дадим определение неоднородной системы, проанализируем отстойники, как аппараты для разделения неоднородных систем и их принцип работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Разделение неоднородных систем.

Неоднородной называется система, состоящая из нескольких раздельных фаз, имеющих поверхность раздела. В простейшем случае двухфазных систем одна из фаз (дисперсная) распределена в виде мелких частиц в окружающей сплошной среде (дисперсионной).

В зависимости от агрегатного  состояния дисперсионной среды  различают жидкие и газовые неоднородные системы. По агрегатному состоянию и размерам дисперсной фазы они называются следующим образом:

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза
	Газообразная	Жидкая	Твердая
Газ	Однородное смешение	Аэрозоли
		Туман	Пыль, дым
Жидкость	Пена	Эмульсия	Суспензия

 

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы, различают:

- грубодисперсные системы, если размеры частиц больше 0,1 мм (100 мк);

- тонкодисперсные системы, если размеры частиц более 1 мк;

- коллоидно-дисперсные системы, если размеры частиц менее 0,1 мк.

Неоднородные системы  различаются весовой, объемной или  счетной (число частиц в единице объема) концентрацией частиц, дисперсным составом, физико-механическими свойствами сплошной среды и дисперсной фазы.

Неоднородные жидкие и газовые системы образуются как в природе в результате естественных процессов, так и в промышленности, при переработке сырья. Многие химические полупродукты получаются в виде суспензий и аэрозолей.

Для разделения неоднородных систем применяются два принципиально различных метода: осаждение и фильтрование. При осаждении используется разность плотностей дисперсной фазы и сплошной среды, при этом под действием массовой силы происходит перемещение частиц дисперсной фазы относительно среды и накопление их в определенной части аппарата. При фильтровании создается течение сплошной среды через пористый слой материала, задерживающий дисперсные твердые частицы.

Осаждение можно провести под действием силы тяжести (свободное  осаждение), в поле сил инерции (центрифугирование) и в электрическом поле. Аппараты для свободного осаждения называются пылеосадительными камерами, отстойниками и сгустителями. Инерционные аппараты называются жалюзийными пылеуловителями, центрифугами, ротационными пылеуловителями, циклонами и гидроциклонами. Электрическое разделение применяется только для газовых систем в электроосадителях.

Деление оборудования по конструктивному признаку обосновано не только конструктивными особенностями оборудования (например, наличием общих конструктивных элементов у отстойных и фильтрующих центрифуг), но и общностью методов технологического и конструктивного расчетов. Классификация оборудования по назначению удобна при выборе оборудования для конкретных целей.

Оборудование для процесса разделения выбирают, опираясь на факторы:

• свойства суспензий;
• требования, предъявляемые к качеству осадка и фильтрата;
• особенности производства;
• технологические возможности оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Отстойники

В отстойниках происходит процесс осаждения под действием  силы тяжести твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в суспензии. В практике химических производств осаждение в отстойниках применяют преимущественно для разделения грубых суспензий.

По способу организации  процесса отстойники могут быть:

- периодического;

- непрерывного;

- полупериодического действия.

В последних подача разделяемой  смеси, и вывод очищенной сплошной фазы производятся непрерывно, а удаление сгущенной дисперсной фазы – периодически.

Отстойники периодического действия представляют собой емкости, куда заливается разделяемая смесь (рис. 2.1). После определенного времени отстаивания через боковой патрубок сливается очищенная сплошная фаза, а затем удаляется сгущенная (концентрированная) дисперсная фаза. В частности, при отстаивании суспензий в осадке будут содержаться твердые частицы с некоторым количеством сплошной фазы. Шлам выгружают из аппарата вручную, что представляет значительное неудобство.

Размеры аппарата периодического действия зависят от концентрации диспергированной фазы и размеров частиц. Чем крупнее частицы и чем больше их плотность, тем быстрее происходит отстаивание и тем меньшие размеры может иметь аппарат.

Скорость отстаивания  зависит также от температуры. С  увеличением температуры вязкость жидкости уменьшается, вследствие чего увеличивается скорость осаждения.

 

 

 

 

Рис. 2.1. Отстойник периодического действия

В аппаратах полунепрерывного действия подача суспензии и слив осветленной жидкости происходят непрерывно, а осадок по мере накопления периодически удаляется из отстойника через нижние спускные устройства. При этом выбирают такое значение скорости протекания суспензии, чтобы частицы успевали осесть на дно отстойника прежде, чем жидкость выйдет из аппарата.

Наиболее широко распространены в промышленности отстойники непрерывного действия. Конструктивно эти аппараты выполняются одно, двух- и многоярусными.

При отстаивании суспензии  в отстойнике непрерывного действия необходимо выполнение основного требования - время пребывания исходной смеси в аппарате должно быть больше или равно времени осаждения частиц. Несоблюдение этого условия приводит к тому, что частицы не успевают оседать на дно аппарата.

Большое распространение  в химической промышленности получили одноярусные гребковые отстойники непрерывного действия (рис. 2.2). Эти аппараты представляют собой невысокие цилиндрические резервуары со слегка коническим днищем. Часовая производительность отстойников этого типа достигает 125т осадка. Основной недостаток одноярусных гребковых отстойников - громоздкость.

 

 

 

 

Рис. 2.2. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой:

 

1 – корпус;

2 – коническое  
                днище;

3 – гребковая  
                 мешалка;

4 – кольцевой  
                  желоб;

5 – труба;

6 – разгрузочный  
                  патрубок

 

 

 

 

 

В корпус отстойника 1, представляющего цилиндрический резервуар с коническим днищем 2, непрерывно подается суспензия по трубе 5. Твердые частицы под действием силы тяжести оседают на днище корпуса, образуя осадок. Гребковая мешалка перемещает осадок по направлению к разгрузочному отверстию. Мешалка вращается очень медленно и не нарушает осаждение дисперсной фазы.

Осадок (сгущенная суспензия) отводится через разгрузочный патрубок 6 при помощи диафрагмового насоса. Очищенная сплошная фаза (осветленная  жидкость) переливается в кольцевой желоб 4 и отводится через отводящий патрубок.

Вал мешалки приводится в движение от электродвигателя через  редуктор (число оборотов вала 0,00025-0,008 с^-1). Концентрация сгущенной смеси по твердой фазе достигает 30-35%. Диаметр отстойников такого типа находится в пределах от 1,8 до 30 м.

Значительно большей  компактностью отличаются двухъярусные отстойники (рис. 2.3.), которые имеют два отделения, расположенные одно над другим.

В этих аппаратах верхнее и нижнее отделения соединены трубой, которая опущена ниже уровня сгущенной суспензии в нижнем отделении.

Суспензия подается раздельно  в оба отделения аппарата, а  сгущенный продукт откачивается только из нижнего отделения. Осветленная  жидкость отводится из верхней части  каждого отделения аппарата.

В таком отстойнике давление столба более тяжелой суспензии  уравновешивается более высоким  столбом осветленной жидкости. Изменением высоты последнего можно регулировать высоту столба сгущаемой суспензии и распределение питания.

       Рис. 2.3. Двухъярусный отстойник

 

 

                                                            
                                                                             
            

 

 

 

 

На рис. 2.4 показан отстойник непрерывного действия с коническими полками, он прост по конструкции, не имеет движущихся частей, имеет большую поверхность осаждения твердой фазы, что является его досто-инствами. Недостаток состоит в том, что влажность сгущенной суспензии (шлама) в нем больше, чем в отстойниках с гребковыми мешалками.

 

             
 
 

             Рис. 2.4. Отстойник непрерывного  
              действия с коническими полками

 

 

 

 

 

 

 

 

Работает этот отстойник  непрерывного действия следующим образом. Исходная суспензия подается непрерывно в верхнюю часть цилиндрического корпуса и поступает в пространство между коническими полками, на которых оседают твердые частицы.

Осадок сползает по наклонным  полкам к стенке корпуса, затем перемещается на коническое днище, откуда он отводится  через нижний патрубок. Очищенная сплошная фаза (осветленная жидкость) из пространства между полок поступает в перфорированную центральную трубу и из нее отводится из аппарата.

Вместе с удаляемым  осадком часто теряется значительное количество жидкости, поэтому для  уменьшения ее потерь и выделения жидкости из сгущенной суспензии осадок из первого отстойника направляют в другой отстойник для отмывки водой и последующего отстаивания. Осадок, полученный во втором аппарате, будет содержать такое же количество жидкости, что и осадок в первом отстойнике, но уже значительно разбавленной водой. При наличии нескольких последовательно соединенных отстойников можно удалить из осадка до 97—98% жидкости.

При необходимости установки  ряда отстойников значительных диаметров  занимаемая ими площадь будет велика. В целях уменьшения этой площади применяют многоярусные отстойники, состоящие из нескольких аппаратов, установленных друг на друга. Различают многоярусные отстойники закрытого и сбалансированного типов.

Простейший многоярусный отстойник закрытого типа представляет собой несколько отстойников, поставленных друг на друга и имеющих общий вал для гребковых мешалок и соответственно - общий привод.

В местах прохода вала сквозь днище каждого отстойника установлены уплотняющие сальники. Таким образом, в этих отстойниках слив осветленной жидкости и выгрузка осадка осуществляются раздельно из каждого яруса.